원자 모형의 변천

Atomic Models

원자 모형은 새로운 실험 결과가 나올 때마다 바뀌어 왔어요. 톰슨은 전자를 발견해 건포도 모형을, 러더퍼드는 알파 입자 산란으로 핵 모형을, 보어는 선 스펙트럼을 설명하는 궤도 모형을 제안했어요. 보어 모형에서 전자 에너지는 주양자수 n에 따라 양자화되고, 준위 사이를 전이할 때 특정 파장의 빛이 나와요. 이 페이지에서는 타임라인을 따라 모형의 변천을 보고, 주양자수를 바꿔 에너지 준위와 전이를 살펴봐요.

원자 모형은 왜 바뀌었나?

💡 핵심: 새 실험 → 새 모형

①톰슨: 전자 발견 → 건포도 모형 (양전하 속 전자)

②러더퍼드: α입자 산란 → 핵 모형 (원자핵 발견)

③보어: 선 스펙트럼 → 궤도 모형 (양자화)

④현대: 전자의 파동성 → 오비탈 모형 (확률 분포)

보어 모형: 에너지 준위

주양자수 n2

수소 원자 에너지 준위

E_n = -13.6n² [eV]

n이 클수록 에너지↑ (0에 가까워짐)

전자 전이 시 빛 에너지

ΔE = E_높은 - E_낮은 = hν

h: 플랑크 상수, ν: 진동수

🔍 슬라이더를 조작해보라!

①n=1: 바닥상태 → E = -13.6 eV (가장 안정)

②n=2: 첫 번째 들뜬상태 → E = -3.4 eV

③n이 커질수록 간격이 좁아진다

④n→∞이면 E→0 (이온화)

선 스펙트럼과 전자 전이

광자 에너지

E = hν = hcλ

h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, c = 3×10⁸ m/s

💡 전자 전이와 빛

①높은 n → 낮은 n으로 떨어질 때 빛 방출

②에너지 차이가 클수록 진동수가 크다 (짧은 파장)

③수소의 선 스펙트럼 = 전이 에너지의 증거

④바닥상태(n=1)로의 전이: 자외선 (라이먼 계열)

⑤n=2로의 전이: 가시광선 (발머 계열)

직접 풀어보기

예제 1

러더퍼드의 알파(α) 입자 산란 실험에서 대부분의 입자는 직진했지만 일부는 큰 각도로 튕겨 나왔다. 이로부터 알 수 있는 원자의 구조는?

대부분의 입자가 그대로 통과했다는 사실을 해석한다.

대부분 직진 → 원자 내부는 대부분 빈 공간

소수의 입자가 큰 각도로 튕겨 나온 사실을 해석한다.

소수 큰 각 산란 → 작고 무거운 (+)핵 존재

▸ 원자핵(중심의 작고 무거운 +전하)의 발견

원자 질량과 양전하가 아주 작은 중심부에 집중되어 있어야 큰 각도 산란이 설명된다.

예제 2

보어 모형이 톰슨·러더퍼드 모형과 다르게 설명할 수 있었던 현상은?

전자가 어디에나 있는 것이 아니라 특정 위치에만 존재한다고 가정한다.

전자는 특정 에너지 준위(궤도)에만 존재

전자가 준위 사이를 옮겨갈 때 빛을 주고받는다고 본다.

준위 전이 시 특정 진동수의 빛 방출/흡수 → 선 스펙트럼

▸ 수소 원자의 선 스펙트럼

에너지 준위가 양자화되어 있어야 불연속적인 선 스펙트럼이 나타난다.

총정리

보어 에너지 준위

E_n = -13.6n² [eV]

수소 원자 전자의 에너지

전이 에너지

ΔE = 13.6(1n_f² - 1n_i²) [eV]

n_i → n_f 전이 시 에너지 변화

2021 평가원 모평 화학Ⅰ 유형 변형

수소 원자의 불연속적인 선 스펙트럼을 처음으로 설명한 원자 모형은?

①돌턴 모형

②톰슨 모형

③러더퍼드 모형

④보어 모형

⑤현대의 오비탈 모형

▸ ④ 보어 모형

톰슨·러더퍼드 모형은 선 스펙트럼을 설명할 수 없다.

보어는 전자의 에너지 준위를 양자화하여 선 스펙트럼을 설명했다.

보어: 에너지 준위 양자화 → 불연속 선 스펙트럼 설명

🎯 시험 포인트

①원자 모형 변천 순서: 톰슨→러더퍼드→보어→현대

②보어 모형의 한계: 수소만 설명 가능

③E_n = -13.6/n² 공식은 반드시 암기

④선 스펙트럼 = 불연속적 에너지 준위의 증거

⑤n=1 바닥상태가 가장 안정 (에너지 가장 낮음)